\chapter{Introducci\'on}
\epigraph{A foolish faith in authority is the worst enemy of truth.}%
         {Albert Einstein}

\section{Objetivo}
El objetivo de este trabajo es el dise\~no y desarrollo de un software que
sirva como soporte para el dise\~no de vacunas atenuadas. En este sentido, la
propuesta es encontrar un conjunto de secuencias de \ac{RNA} que conserven las
propiedades que le otorgan la atenuaci\'on a la vacuna y que al mismo tiempo,
tiendan a maximizar el n\'umero de mutaciones necesarias para alcanzar
secuencias semejantes a las pat\'ogenas o revertantes\footnote{(Para el lector
ajeno a la biolog\'ia) que producen la enfermedad que la vacuna debiera
prevenir.}. 

En los cap\'itulos~\ref{biologia} y \ref{bioinformatica} se introducen los
conceptos biol\'ogicos b\'asicos y algunos de los problemas caracter\'isticos
de la bioinform\'atica, profundizando en aquellos que est\'an m\'as relacionados
con este trabajo. Luego, en el cap\'itulo~\ref{diseno} se describen la
metodolog\'ia cl\'asica para el dise\~no de vacunas atenuadas, algunos
antecedentes del dise\~no racional y finalmente, la soluci\'on propuesta. Por
\'ultimo, en la parte~\ref{software} se describen los detalles puramente
t\'ecnicos y m\'as relevantes sobre el desarrollo del software.

\section{Sobre las vacunas}
\label{vacunas}
El uso de vacunas representa una herramienta importante para combatir enfermedades y
epidemias. Pero al mismo tiempo, no carecen de efectos indeseados, a veces causados
por algunos de sus componentes que pueden resultar t\'oxicos (aluminio, mercurio,
cloroformo), y seg\'un algunos autores en alg\'un caso espec\'ifico podr\'ia inducir
enfermedades a largo plazo, o agravar la enfermedad en caso posterior a infecci\'on
como ha ocurrido con la vacuna inactivada para el sarampi\'on.

Aun as\'i, su uso est\'a ampliamente aceptado en la mayor\'ia de los pa\'ises
del mundo, siendo las campa\~nas masivas de vacunaci\'on, una de las
principales pol\'iticas p\'ublicas de salud.

\subsubsection{Origen de las vacunas}

El origen de las vacunas se remonta al a\~no 1796 durante la epidemia del virus
de la viruela en Europa. El m\'edico rural, Edward Jenner, observ\'o que las
mujeres que orde\~naban las vacas eventualmente contra\'ian una especie de
``viruela vacuna'' por el contacto con las ubres, y que luego la viruela com\'un
no les produc\'ia ning\'un efecto. Efectivamente, el virus Vaccinia que se us\'o
como vacuna contra la viruela com\'un, result\'o ser un virus muy emparentado
pero que no produc\'ia efectos de consideraci\'on en las personas y que di\'o
origen a lo que hoy se conocen como vacunas vivas o atenuadas.

\section{Motivaci\'on}
\label{motivacion}
Dejando de lado la discusi\'on planteada anteriormente, el objetivo b\'asico de
una vacuna es estimular el sistema inmune sin producir la enfermedad en
cuesti\'on. En este sentido, las vacunas atenuadas presentan algunas ventajas
frente a las denominadas vacunas inactivas.
\begin{itemize}
 \item Proveen inmunidad a largo plazo.
 \item Pocas dosis son suficientes para adquirir inmunidad. 
 \item F\'aciles de aplicar.
\end{itemize}

Sin embargo, este tipo de vacunas tambi\'en presenta una importante desventaja,
como la probabilidad de revertir a la virulencia, lo que da origen a este
trabajo.

En sucesivas replicaciones, un virus atenuado puede acumular mutaciones en su
secuencia de \ac{RNA} que le devuelvan su car\'acter patog\'enico, produciendo
la enfermedad que se deseaba prevenir. A diferencia de los virus \ac{DNA}, los
virus \ac{RNA} poseen una alta frecuencia de mutaciones estimada en 0.1 a 10
mutaciones por genoma replicado\cite{Vignuzzi08}.

Un caso paradigm\'atico es el de la vacuna Sabin contra la poliomielitis,
tambi\'en conocida como \ac{OPV}. Esta vacuna, desarrollada por Albert Sabin en
1957, es una vacuna atenuada administrada por v\'ia oral para prevenir la
poliomielitis. 

A ra\'iz de una campa\~na impulsada por la \ac{WHO} en 1988 y utilizando la
\ac{OPV}, hacia finales de 2002 se hab\'ia logrado interrumpir la
transimisi\'on end\'emica del poliovirus en 209 de los 216 pa\'ises del
mundo\cite{Aylward04}. Sin embargo, la alta inestabilidad gen\'etica de esta
vacuna di\'o lugar a un nuevo grupo de virus conocidos como \ac{cVDPV}, que
presentan propiedades similares a las del poliovirus salvaje, incluyendo
neurovirulencia\footnote{Tendencia o capacidad de un microorganismo de afectar
el sistema nervioso.} y responsables de una nueva enfermedad denominada
\ac{VAPP}. 

Diferentes estudios muestran que \ac{VAPP} ocurre con una tasa de
aproximadamente un caso cada 750,000 a 1 millon de ni\~nos que reciben la
primer dosis de \ac{OPV}\cite{Aylward04}. M\'as a\'un, en Estados Unidos entre
1980 y 1999, el 95\% de los casos registrados de poliomielitis paralitica fueron
\ac{VAPP}\cite{DeJesus07}.

En Argentina, el \'ultimo caso registrado de \ac{VAPP} se produjo en el a\~no
2009 en la provincia de San Luis\cite{msal09}. Esto deriv\'o en un Alerta
Epidemiol\'ogico acompa\~nado de fuertes campa\~nas de vacunaci\'on con la
vacuna \ac{OPV}.

\section{Antecedentes}
\label{antecedentes}
Ante estos datos, se reconoce que uno de los obst\'aculos para erradicar la
poliomielitis es la \ac{OPV} en si misma\cite{Chumakov08}. Luego, surge la
necesidad de buscar nuevas formas de dise\~nar vacunas atenuadas que est\'en
libres de riesgos, o al menos, tengan menor probabilidad de revertir a la
virulencia.

Es a partir de esto y de los avances en la virolog\'ia molecular, que empieza
a tomar fuerza la idea de \textbf{racionalizar el dise\~no de vacunas
atenuadas}, de forma tal de poder controlar y cuantificar la atenuaci\'on de las
vacunas\cite{Lauring10}.

Algunos de los m\'etodos propuestos y que analizaremos con mayor detalle m\'as
adelante, son la deoptimizaci\'on  de codones\cite{Coleman08} y la fidelidad en
la replicaci\'on del virus atenuado\cite{Vignuzzi08}.

\section{Propuesta}
\label{propuesta}
En este trabajo, realizado con la colaboraci\'on de la
\ac{FuDePAN}\footnote{\url{http://www.fudepan.org.ar}}, se propone la
implementaci\'on de un software, que hemos dado en llamar \ac{vac-o}, para el
dise\~no de secuencias de \ac{RNA} que optimicen las vacunas atenuadas como un
problema de \textbf{``optimizaci\'on combinatoria basado en restricciones''}. 

Este tipo de problemas consiste en asignar valores a un conjunto finito de
variables que satisfagan determinadas condiciones o restricciones. Estas
variables conforman las ``componentes de la soluci\'on'', y las combinaciones de
los distintos valores que puede tomar cada componente forman las potenciales
soluciones del problema. Luego, usando una funci\'on de evaluaci\'on sobre las
soluciones, se debe encontrar una soluci\'on, o varias, que maximicen o
minimicen dicha funci\'on.\cite{Hoos04}.

En nuestro caso, las restricciones ser\'an propiedades sobre partes de la
secuencia de \ac{RNA}, como la conservaci\'on de la secuencia aminoac\'idica y
la estructura secundaria de \ac{RNA}. Las soluciones ser\'an secuencias
completas de \ac{RNA} y la funci\'on de evaluaci\'on sobre estas soluciones, que
deseamos maximizar, estar\'a dada por el n\'umero de mutaciones necesario para
alcanzar una secuencia revertante.

En este sentido, la principal innovaci\'on que presenta este trabajo, es la
utilizaci\'on de diferentes algoritmos para la predicci\'on de la estructura
secundaria de \ac{RNA}, con el fin de determinar secuencias que conserven parte
de la estructura secundaria del virus atenuado y, en consecuencia, mantengan la
atenuaci\'on y las propiedades como vacuna.

Para guiar el desarrollo del trabajo se tom\'o como caso testigo la vacuna
\ac{OPV}. Esto nos permiti\'o establecer una serie de requerimientos b\'asicos,
que esperamos sean de utilidad para otras vacunas.

Desde el punto de vista de la implementaci\'on, se puso especial atenci\'on en
utilizar diferentes principios y patrones de \ac{OOP} con
el fin de lograr un software que sea altamente modular y que permita ser
extendido en el futuro con nuevas funcionalidades. El c\'odigo fuente fue
liberado bajo licencia \ac{GPLv3} y puede ser accedido a trav\'es del
repositorio \ac{SVN}\footnote{\url{http://vac-o.googlecode.com}}